Misure di Catodoluminescenza su diamante naturale ed artificiale Natalia Bo Misure di Catodoluminescenza su diamante naturale ed artificiale Relatore: Prof. Claudio Manfredotti

quali sono, come si distribuiscono Scopi Studiare le caratteristiche delle impurità e dei difetti presenti nel reticolo cristallino del diamante: quali sono, come si distribuiscono Poichè influenzano le proprietà elettroniche del diamante

Strumentazione utilizzata Presentazione: Fenomeni di luminescenza Difetti nei solidi Catodoluminescenza Centri di luminescenza del diamante Teoria Microscopio elettronico a scansione (SEM) Apparato di catodoluminescenza Strumentazione utilizzata Calibrazione dell’apparato di catodoluminescenza In lunghezza d’onda e in intensità Risoluzione Efficienza Spettri di catodoluminescenza Mappe di catodoluminescenza Analisi dei campioni

Fenomeni di Luminescenza La luminescenza è un fenomeno di emissione di fotoni che avviene nei solidi quando sono eccitati da una sorgente Ioni Ionoluminescenza Fotoni Fotoluminescenza Calore Termoluminescenza Elettroni Catodoluminescenza Fluorescenza t<10-7 sec Fosforescenza t>10-7 sec

Luminescenza nei semiconduttori Nei semiconduttori la luminescenza è descritta come ricombinazione elettrone-lacuna Semiconduttori a gap diretta Semiconduttori a gap indiretta Luminescenza intrinseca diretta Luminescenza estrinseca livelli interni della gap

Difetti nei solidi Difetti puntuali Difetti planari Difetti monodimensionali Difetti tridimensionali

Catodoluminescenza Trappola per elettroni se>sh Trappola per lacune sh>se Centro di Ricombinazione sesh tempo di vita medio dei portatori minoritari

Intensità del segnale di catodoluminescenza f fattore di correzione velocità di ricombinazione dei portatori eccesso di portatori minoritari per unità di volume tempo di vita medio per ricombinazione radiativa

Centri di luminescenza misurati nel diamante

Strumentazione utilizzata

Microscopio elettronico a scansione (SEM) Caratteristiche: Energia 0,3-30 keV Corrente 1 pA - 5mA Vuoto  10-4 mbar E=30 keV I= 100pA d= 40 nm E=5 keV I= 400pA d= 100 nm

Interazione elettroni-materia

Range di Kanaya-Okayama Volume di generazione Range di Kanaya-Okayama

Apparato di catodoluminescenza Modalità pancromatica: raccolta dei fotoni di tutte le l Modalità monocrocromatica: raccolta dei fotoni di una sola l Range spettrale 250-850 nm ( 1.5-5 eV )

Apparato di catodoluminescenza Specchio paraboidale

Calibrazione

Calibrazione in lunghezza d’onda Risoluzione degli spettri in funzione dell’apertura delle fenditure Analisi delle armoniche secondarie di ordine superiore Calibrazione in intensità Efficienza di raccolta del reticolo di diffrazione e del fotomoltiplicatore

Calibrazione in lunghezza d’onda

Analisi dei campioni PUNTE DI DIAMANTE Tip_29a Tip_29b Tip_29c Tip_33d Tip_33e Tip_32a Tip_32c Tip_30a Tip_30b DIAMANTI PLANARI Ralchenko 117 1.5 ppm Ralchenko 125d Boro Ralchenko 55 15 ppm Cm1 <1ppm Cm3 <1ppm Naturale IIa Azoto paramagnetico

Analisi dei campioni Tip_32c Picco (2.90 ± 0.04) eV Banda A

Picco (2.37 ± 0.04) eV centro H3 (N-V-N) Analisi dei campioni Tip_29c Picco (2.37 ± 0.04) eV centro H3 (N-V-N) Picco ( 2.91 ± 0.04 ) eV Banda A blu

Analisi dei campioni Naturale IIa Picco (2.42 ± 0.02) eV centro H3 Picco (2.92 ± 0.02) eV Banda A

Analisi dei campioni Cm1 Picco (2.91 ± 0.04) eV Banda A

Analisi dei campioni SECONDARI Cm1 RETRODIFFUSI PANCROMATICA

Analisi dei campioni Cm1 Energia variabile

Analisi dei campioni Cm1 Nessuna emissione SECONDARI PANCROMATICA MONOCROMATICA l = 440 nm MONOCROMATICA l = 600 nm Nessuna emissione

Picco ( 1.99 ± 0.03 ) eV Centro (N-V) Analisi dei campioni R117 1.5 ppm di azoto Picco ( 1.99 ± 0.03 ) eV Centro (N-V) Picco ( 2.90 ± 0.03) eV Banda A

Analisi dei campioni R117 SECONDARI RETRODIFFUSI MONOCROMATICA l = 440 nm MONOCROMATICA l = 600 nm

Analisi dei campioni R55 R125d 15 ppm di azoto Picco ( 1.98 ± 0.02 ) eV Centro (N-V) Picco (2.88 ± 0.02 ) eV Banda A Picco ( 1.68 ± 0.01 ) eV Centro (Si-V) Picco ( 2.21 ± 0.01) eV Banda verde Ricombinazione boro-azoto Picco (2.91 ± 0.01) eV Banda A 15 ppm di azoto

Conclusioni Il sistema è stato ottimizzato e permette analisi dei materiali complete ed affidabili. Studio delle impurità e dei difetti presenti nel reticolo del diamante Quali sono: azoto, boro, silicio Il picco di emissione a 2.8-3.0 eV della banda A è presente negli spettri di tutti i campioni Come si distribuiscono: I centri di emissione della banda A sono localizzati lungo i bordi di grano e nelle dislocazioni del diamante Le impurità puntuali di azoto ESR sono distribuite all’interno del reticolo cristallino del diamante in modo uniforme

Spiegazioni ulteriori

Interazione elettroni-materia Urto elastico Urto anelastico Elettroni retrodiffusi energia: tra 0-E0 provenienza: 0.5-1 mm Elettroni secondari energia: E = 50 eV provenienza: 50-500 Å

Apparato di catodoluminescenza CARATTERISTICHE DELLO STRUMENTO Efficienza di raccolta dello specchio paraboidale: 80% passo del reticolodi diffrazione piano: 1200 mm-1 range spettrale del reticolo di diffrazione: 300-900 nm range spettrale del tubo fotomoltiplicatore: 160-850 nm

Risoluzione in funzione dell’apertura delle fenditure Calibrazione Risoluzione in funzione dell’apertura delle fenditure

Calibrazione Calibrazione in lunghezza d’onda armoniche secondarie NERO: spettro senza filtro ROSSO: spettro con il filtro

Calibrazione in intensità PA3 Keithley

Calibrazione Calibrazione in intensità Reticolo monocromatore Tubo fotomoltiplicatore

Luminescenza nei semiconduttori Semiconduttori a gap diretta Semiconduttori a gap indiretta Luminescenza intrinseca diretta Luminescenza estrinseca livelli interni della gap

Analisi dei campioni Cm1 Energia variabile E= 3 kV E= 5 kV E= 15 kV